水凝膠纖維在生物體內(nèi)廣泛存在，如肌肉、神經(jīng)和結締組織等，這些組織具有運輸物質(zhì)和傳遞能量的功能，對維持生命活動至關重要。因此，開發(fā)具有類似生物功能的水凝膠纖維對于生物醫(yī)學應用具有重要意義。同時，水凝膠纖維的高含水量和多孔結構使其在能源存儲（如超級電容器、電池）和環(huán)境治理（如水處理、污染物吸附）方面也具有獨特的優(yōu)勢。盡管已有大量研究致力于水凝膠纖維的開發(fā)，但如何設計和合成具有特定結構和功能的水凝膠纖維仍然是一個挑戰(zhàn)。這包括選擇合適的原材料、控制纖維的微觀結構（如交聯(lián)網(wǎng)絡、孔隙結構）以及實現(xiàn)宏觀結構的多樣化（如空心結構、核殼結構等）。此外，水凝膠纖維的性能（如機械強度、電導率、光學性能等）需要進一步優(yōu)化，以滿足不同應用場景的需求。例如，提高水凝膠纖維的機械強度和韌性，使其能夠更好地模擬生物組織的力學性能。目前大多數(shù)水凝膠纖維的制備方法難以實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)，這限制了其在實際應用中的推廣。因此，開發(fā)高效、連續(xù)的制備技術是實現(xiàn)水凝膠纖維工業(yè)化應用的關鍵。

東華大學朱美芳院士、侯愷團隊通過系統(tǒng)回顧水凝膠纖維的研究進展，為未來的研究提供指導，推動水凝膠纖維在多個領域的應用和發(fā)展。相關內(nèi)容以“A Review of Hydrogel Fiber: Design, Synthesis, Applications, and Futures”為題發(fā)表在《Chemical Reviews》上。

水凝膠纖維的定義與特性

水凝膠纖維是一種結合了水凝膠材料的柔軟性、濕潤性、生物相容性和環(huán)境響應性，以及纖維材料的高長徑比、各向異性和柔韌性的材料。這種材料因其獨特的結構和功能特性，在生物醫(yī)學、能源、環(huán)境科學等領域具有廣泛的應用潛力。

圖1 水凝膠纖維在過去幾十年的發(fā)展歷程

水凝膠纖維的材料組成

作者詳細討論了水凝膠纖維的常見材料，包括天然聚合物（如海藻酸鈉、殼聚糖、纖維素等）、合成聚合物（如聚乙烯醇、聚N-異丙基丙烯酰胺等）、單體/寡聚物以及納米顆粒。這些材料的選擇對水凝膠纖維的性能和功能有重要影響。

圖2 水凝膠纖維制備中常見材料的選擇原則

水凝膠纖維的結構設計

作者強調(diào)了水凝膠纖維的結構設計對其性能和功能的重要性。結構設計包括微觀結構（如交聯(lián)網(wǎng)絡、孔隙結構）、介觀結構（如多網(wǎng)絡結構、取向結構）和宏觀結構（如空心結構、核殼結構等）。

圖3 水凝膠纖維的結構設計原則

水凝膠纖維的制備技術

作者討論了水凝膠纖維的多種制備技術，包括濕法紡絲、微流體紡絲、動態(tài)聚合紡絲、3D打印等。這些技術各有優(yōu)缺點，適用于不同的應用場景。

圖4 基于纖維形成過程中凝膠化過程的水凝膠纖維制備策略

水凝膠纖維的應用

作者詳細討論了水凝膠纖維在多個領域的應用，包括生物醫(yī)學（如組織工程、藥物遞送）、能源（如超級電容器、電池）、環(huán)境（如水處理、污染物吸附）等。這些應用展示了水凝膠纖維的多功能性和廣泛的應用前景。

圖5 基于響應性的水凝膠纖維在傳感和驅(qū)動方面的應用

水凝膠纖維的未來發(fā)展方向

作者指出，盡管水凝膠纖維在材料設計、結構設計和功能構建方面取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。未來的研究將更加注重水凝膠纖維的多功能集成、生物相容性與可降解性、智能化與動態(tài)響應等方向。這些研究方向?qū)⑼苿铀z纖維在更多領域的應用和發(fā)展。

圖6 水凝膠纖維在組織工程中的應用

來源：高分子科學前沿